平面冲击加载下A95陶瓷动态力学性能研究

论文摘要

陶瓷材料具备耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗氧化、电绝缘性好、压缩强度大等优良性能,广泛应用于电子、计算机、激光、核反应堆、宇航、兵器等尖端技术领域,由于陶瓷材料中存在气孔、缺陷、晶界,使得对陶瓷性能及使用效能的研究较为复杂,引起了材料科学家、力学家的广泛关注。特别是对陶瓷材料动态力学响应研究,近几十年以来已成为国际冲击动力学领域十分活跃的研究课题。本文主要研究冲击压缩条件下氧化铝陶瓷的动态响应特性。在充分调研陶瓷材料在高压、高率条件下动力学响应特性等诸多关键问题研究现状的基础上,开展了一级轻气炮加载、VISAR测试的氧化铝陶瓷平板正撞实验。获得了A95陶瓷的Hugoniot弹性极限,分析了厚度对σHEL的影响;观察到无氧铜飞片层裂现象,并对其产生的机理进行了分析;修正了Drucker-Prager屈服准则,使之适用于分析陶瓷类脆性材料。本文的主要研究内容和结论如下:①对陶瓷材料的失效准则、本构模型、应变率效应、平面载荷作用下陶瓷材料的破坏机制等问题进行了调研,明确了陶瓷材料动态性能研究的进展和存在的问题。从陶瓷材料的物质结构及显微组织等方面对陶瓷材料的结构进行了分析,得出影响陶瓷材料性能的因素。②针对陶瓷材料的物理力学性能及其影响因素开展了分析,从陶瓷材料的变形、断裂特征及弹塑性性质、晶粒尺寸对陶瓷性能的影响关系,高应变率下陶瓷材料的力学性能和破坏行为等方面进行了重点论述。并对冲击波物理实验原理及方法、现有的加载手段和测试方法进行了讨论。③采用超声波测试获得了氧化铝陶瓷样品的基本物理力学参量,通过电镜扫描观察了氧化铝陶瓷的细观结构,电镜扫描结果显示氧化铝陶瓷具有强烈的细观非均匀性结构特征。④开展了氧化铝陶瓷一级轻气炮加载实验,采用VISAR测试了不同厚度的氧化铝陶瓷样品在一维应变冲击压缩条件下自由面质点速度历程,得到了氧化铝陶瓷样品Hugoniot弹性极限。实验结果表明:随着样品厚度的增加,氧化铝陶瓷的σHEL呈下降趋势;当冲击压力在6GPa-8GPa范围内,陶瓷样品自由面质点速度历程存在二次再压缩现象,判断是由于陶瓷内产生的破坏阵面（Failure front）所造成的,与玻璃中的破坏波现象具有可比性。⑤根据A95陶瓷的平板冲击实验结果,修正了Drucker-Prager屈服准则,提出适用于陶瓷材料Hugoniot弹性极限表征的修正公式,并计算了A95陶瓷的σHEL值,分析理论值与实验结果存在差异的原因。⑥实验观察到异质材料撞击时,在飞片中会产生层裂现象,且无氧铜飞片中晶粒长大,分析了延性金属与陶瓷材料撞击时的层裂机理。⑦开展了氧化铝陶瓷动态特性数值模拟,采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件模拟了氧化铝陶瓷平板冲击压缩实验结果,对比实验结果与数值模拟结果,分析其中的异同。对弹丸侵彻钢靶和陶瓷/钢复合装甲过程进行了数值模拟,对比了不靶板的抗侵彻能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 陶瓷动态特性研究进展
• 1.2.1 失效准则
• 1.2.2 本构模型
• 1.2.3 陶瓷材料的应变率效应
• 1.3 平面载荷作用下陶瓷类脆性材料破坏机制
• 1.3.1 表面微裂纹扩展机制
• 1.3.2 相变机制
• 1.3.3 剪切破坏机制
• 1.4 论文的主要研究内容
• 1.4.1 目前存在的主要问题
• 1.4.2 技术路线和思路
• 1.4.3 论文的主要工作内容
• 2 陶瓷材料的物质结构及显微组织
• 2.1 引言
• 2.2 陶瓷材料的构成及特点
• 2.3 陶瓷材料的物质结构
• 2.3.1 陶瓷材料的结合键
• 2.3.2 陶瓷材料的晶体结构
• 2.3.3 陶瓷晶体结构中的缺陷
• 2.3.4 陶瓷材料结构特征分析
• 2.4 陶瓷材料的显微组织
• 2.4.1 陶瓷的晶体相
• 2.4.2 陶瓷的玻璃相和气相
• 2.5 氧化铝陶瓷的结构及显微组织
• 2.6 本章小结
• 3 陶瓷材料的物理力学性能及影响因素
• 3.1 引言
• 3.2 陶瓷材料的物理力学性能
• 3.2.1 陶瓷材料的变形行为
• 3.2.2 陶瓷材料的脆性断裂
• 3.2.3 陶瓷材料的弹塑性性质
• 3.2.4 陶瓷材料的强度特点
• 3.2.5 冲击加载下陶瓷的强度
• 3.2.6 晶粒尺寸对陶瓷材料性能的影响
• 3.3 陶瓷材料在高应变率下的动态力学性能
• 3.3.1 高应变率下陶瓷材料的力学性能和破坏行为
• 3.3.2 脆性陶瓷材料抵抗冲击载荷的性能[48]
• 3.4 本章小结
• 4 冲击波物理实验原理及方法
• 4.1 引言
• 4.2 冲击波基础、流体动力学近似方法
• 4.2.1 概述
• 4.2.2 波的控制方程
• 4.2.3 应力波基础
• 4.2.4 平面正冲击波、Hugoniot 曲线
• 4.3 冲击波物理加载与测试技术
• 4.3.1 冲击波物理实验技术
• 4.3.2 实验测试技术
• 4.4 本章小结
• 5 氧化铝陶瓷平板冲击压缩实验
• 5.1 引言
• 5.2 实验试件制备及其物理力学性质
• 5.2.1 试件设计前提
• 5.2.2 平板冲击压缩实验件设计
• 5.2.3 氧化铝陶瓷物性参数的测量
• 5.2.4 氧化铝陶瓷样品表面形貌分析
• 5.3 实验装置与测试系统
• 5.4 A95 陶瓷平板正撞实验
• 5.5 冲击波压力预估与压力脉冲理论预估
• 5.6 A95 陶瓷的HUGONIOT 弹性极限
• 5.7 本章小结
• 6 冲击压缩下氧化铝陶瓷动态特性
• 6.1 引言
• 6.2 平面冲击波压缩下氧化铝陶瓷的动态强度
• 6.3 冲击压缩下氧化铝陶瓷中破坏阵面的传播
• 6.4 异质材料层裂机理分析
• 6.5 本章小结
• 7 氧化铝陶瓷动态特性数值模拟及抗侵彻机理分析
• 7.1 引言
• 7.2 平板冲击压缩实验数值模拟
• 7.2.1 JH-2 本构模型
• 7.2.2 A95 陶瓷的JH-2 材料参数确定
• 7.2.3 Johnson-Cook 本构模型与Grüneisen 状态方程
• 7.2.4 弹丸、PMMA 靶环模型与材料参数
• 7.2.5 有限元模型
• 7.2.6 数值模拟工况
• 7.2.7 数值模拟结果与分析
• 7.3 长杆弹侵彻陶瓷复合靶数值模拟
• 7.3.1 陶瓷/金属复合装甲特点及现状
• 7.3.2 长杆弹侵彻三层复合靶
• 7.3.3 长杆弹侵彻二层复合靶和相同厚度的钢靶数值模拟
• 7.4 本章小结
• 8 总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 论文的创新点
• 8.3 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目
• B. 作者在攻读博士学位期间发表的论文